Termodinamică - Laborator Măsurarea temperaturilor

Ghiaus A.-G. 1

MĂSURAREA TEMPERATURILOR

NOŢIUNI GENERALE Starea de agitaţie termică a moleculelor unui corp si energia internă a acestui corp pot fi caracterizate printr-un parametru de stare ce poartă numele de temperatură. În natură există mai multe fenomene fizice de dependenţă a unor parametrii fizici cu temperatura. Aceste fenomene pot fi definite matematic prin funcţii, care se numesc funcţii termometrice şi care trebuie să aibă următoarele caracteristici: - să fie continue în domeniul de temperaturi utilizate; - pentru o valoare a temperaturii trebuie să corespundă o singură valoare a funcţiei; - să fie cât mai generală (aplicabilă pe un domeniu cât mai larg de temperaturi); - să urmărească variaţia temperaturii atât în procesele de răcire cât şi în cele de încălzire (conditia de fidelitate a funcţiei); - la variaţii minime ale temperaturii să corespundă valori maxime ale funcţiei (conditia de sensibilitate). Între fenomenele fizice ale căror funcţii matematice îndeplinesc condiţiile de mai sus pot fi enumerate: - dilatarea corpurilor; - efectul termoelectric; - variaţia rezistenţei electrice cu temperatura; - radiaţia corpurilor; - alte fenomene fizice. SCĂRI DE TEMPERATURĂ Scara de temperaturi construită pe baza principiului al doilea al termodinamicii, singura scară de temperaturi corectă, poartă numele de scară termodinamică de temperatură şi este în acelaşi timp scara de temperatură acceptată pe plan internaţional. Temperatura măsurată după această scară se notează cu T, iar valorile numerice sunt urmate de semnul K (ex. 273,15 K). Originea scării se găseşte în punctul de zero absolut, adică în punctul în care încetează agitaţia moleculară. Construcţia scării se face pe baza a şase puncte fixe principale definite astfel conform STAS. În mod curent în practică se foloseşte scara termodinamică centigrad (scara Celsius), care este construită pe baza a două puncte principale, pentru presiunea de 1 atm: 1. punctul de topire a gheţii 0°C 2. punctul de fierbere a apei 100°C APARATE DE MĂSURAT TEMPERATURA Aparatele de măsurat temperatura pot fi clasificate în funcţie de mai multe criterii: fenomenul fizic de bază, precizie, de indicare a temperaturii etc. În funcţie de fenomenul fizic care stă la baza construcţiei aparatului avem: Aparate care folosesc dilatarea corpurilor Corpul care se dilată poate fi un corp solid, lichid sau gazos. Aparatele care care sunt construite pe principiul dilatării corpurilor, numite termometre, sunt aparate simple, precise,

Termodinamică - Laborator Măsurarea temperaturilor

Ghiaus A.-G. 2

cu un domeniu larg de temperatură şi care pot fi folosite ca aparate indicatoare sau circuite de semnalizare sau reglare. Caracteristicile funcţionale ale termometrelor

Tipul termometrului Corpul termometric

Domeniu de utilizare

Caracteristici

Termometru cu tijă metalică Al, alama, Ol

Termometru cu arc bimetalic Al, alamă, Ol

-100 ... +100°C Aparate robuste de tip regulator sau indicator

Termometru cu lamelă bimetalică Alama/Ol + invar

Termometre cu lichid Galiu Mercur Toluen Alcool etilic

0 ... +1100°C -30 ... +700°C -90 ... +100°C -100 ... +75°C

Aparate de tip indicator, semnalizare, regulatoare

Termometre manometrice cu lichid

Hexan Alcool Mercur

-80 ... +320°C -50 ... +320°C -35 ... +600°C

Termometre manometrice cu vapori

Etan sau propan Butan Eter etilic Apa

-40 ... 0°C +20 ... +150°C +60 ... +160°C +120 ... +200°C

Aparate ce transmit indicaţia la distanţă (max 100 m)

Termometre manometrice cu gaz Azot, argon, CO2 -60 ... +600°C

Termometrele ce folosesc dilatarea solidelor pot folosi dilatarea unui singur metal sau dilatarea a doua metale cu coeficienti de dilatare diferiti, sub forma de lamele sudate pe toata lungimea. Aluminul, alama si otelul in aliaj cu 25% nichel au coeficienti de dilatare mari, iar invarul are un coeficient de dilatare mic. Aceste aparate sunt robuste, au ca dezavantaje oboseala materialului in timp, precum si dezlipirea partiala a lamelelor in cazul bimetalelor.

Termometru Termometru Termometru Termometru Termometru cu tijă metalică cu arc bimetalic Beckmann cu contact fix Wertex

Termodinamică - Laborator Măsurarea temperaturilor

Ghiaus A.-G. 3

Termometrele ce folosesc dilatarea lichidelor sunt construite din sticla speciala, fiind simplu de manevrat, precise si ieftine. Se remarca termometrele speciale cu contacte electrice (cum ar fi termometrul Beckmann, termometrul cu contact fix si termometrul Wertex), ce permit inchiderea unui circuit exterior, putand fi astfel utilizate ca elemente de semnalizare, reglare sau actionare. Termometrul Beckmann este un termometru cu scara variabila si rezervor suplimentar si este destinat masurarilor diferentelor de temperatura. Intervalul de temperaturi se poate modifica prin scurgerea unei cantitati de mercur din rezervorul suplimentar in capilarul termometrului, astfel incat scara este gradata in sens invers. Termometrul Wertex este un termometru cu contact deplasabil. Astfel, unul din contacte este constituit dintr-un fir de platina ce se poate deplasa in interiorul capilarului termometrului pana in dreptul reperului de temperatura dorit. Deplasarea are loc datorita faptului ca firul de platina este legat de o piulita care se afla pe un surub ce se poate roti prin intermediul unei chei magnetice plasate in partea de sus a termometrului. Piulita se deplaseaza de-a lungul unei scari de temperatura auxiliara, identica cu prima, pozitia piulitei corespunzand, pe aceasta scara, cu pozitia contactului mobil (capatul liber al firului de platina). Termometrele manometrice reprezinta aparate de masura ce folosesc drept principiu de functionare variatia presiunii cu temperatura.

Termometru manometric Alcatuirea aparatului 1 - rezervor continand corpul termometric, care se introduce in mediul caruia i se masoara temperatura; 2 - tub capilar de legatura; 3 - element elastic; 4 - dispozitiv de transmitere a miscarii; 5 - dispozitiv indicator sau inregistrator. Prezinta avantajul transmiterii indicatiilor la distante relativ mari (maxim 100 m).

Aparate ce folosesc efectul termoelectric Efectul termoelectric constă în apariţia unui curent electric în circuitul închis format din două conductoare din materiale diferite, dacă sudurile sunt supuse unor temperaturi diferite. În mod obişnuit se măsoară tensiunea apărută în circuitul termocuplului cu ajutorul unui milivolmetru, ce poate avea scala etalonată direct în grade. În funcţie de natura materialelor utilizate la construcţia termoelectrozilor, avem:

- Termocupluri cu termoelectrozi din metale mobile. Sunt folosite pentru etalonări şi verificări. Cele mai răspândite sunt cele din aliaje de Pt-Rh cu diferite procente ale Rh.

- Termocupluri cu termoelectrozi din metale obişnuite. Cele mai utilizate combinaţii în construcţia termoelectrozilor sunt: Fe – Const., Cromel – Alumel, Cromel – Copel, Cu – Const.,W – Ta, Mo – Ta (ultimele trei pentru valori până la 2000°C) etc.

Termodinamică - Laborator Măsurarea temperaturilor

Ghiaus A.-G. 4

- Termocupluri cu termoelectrozi nemetalici (un termoelectrod metalic şi unul nemetalic sau ambii electrozi nemetalici). Combinaţiile frecvente sunt: carbură de siliciu – grafit, sau grafit – grafit Construcţia este de tipul teacă – baghetă centrală. Termocuplurile sunt folosite la măsurători de temperaturi ridicate. Termoelectrozii termocuplurilor se confecţionează din sârmă cu diametre cuprinse între zecimi de milimetrii si 3 mm şi se izolează folosind cauciuc pentru temparaturi până la 80°C mătase până la 120°C, email până la 150°C, sticlă până la 1000°C şi porţelan până la 1500°C. Tuburile din cuarţ sau porţelan sunt utilizate pentru temperaturi ridicate când metalele devin permeabile pentru unele gaze.

Circuitul termocuplului Modul de izolare Teaca de protectie Când diferenţa de temperatură între sudura caldă şi cea rece este prea mică, deci când f.e.t.m. are o valoare scăzută se utilizează legarea în serie a termocuplurilor. Pentru măsurarea diferenţei de temperatură se vor racorda două termocupluri în opoziţie.

Legarea in serie a termocuplurilor Masurarea diferentelor de temperatura

Termodinamică - Laborator Măsurarea temperaturilor

Ghiaus A.-G. 5

Măsurarea forţei termoelectromotoare se poate realiza prin intermediul milivolmetrelor sau a compensatoarelor.

Utilizarea compensatoarelor se face opunând forţei electromotoare ce trebuie măsurată, o tensiune reglabilă şi cunoscută astfel încât curentul în circuitul de comparare să fie nul.

Schema de principiu a compensato-rului, prezentată în figura alaturata, cuprinde sursa de curent continuu C, reostatul de reglaj Rr, reostatul R cu scara gradată în grade de temperatură, termocuplul T, un galvanometru indicator de nul AN şi un element normalizat EN. Prin deplasarea contactului D, fortele t.e.m. ale termocuplului si sursei

pot fi echilibrate pe circuitul galvanometrului, astfel incat termocuplul va dezvolta f.t.e.m.:

( )eRR

E lL

E f TAD

AB

= = =

Elementul normalizat serveste la controlul punctului de nul, astfel incat la introducerea sa in circuit daca AN nu indica valoarea zero se va face compensarea prin intermediul reostatului Rr. Elementul normalizat este o pilă galvanică reversibilă ce dezvoltă o f.e.m. constantă pe un timp îndelungat. Cel de tip Weston dezvoltă la +20°C o f.e.m. constantă E = 1,0183 V. Avantajele principale ale termocuplurilor sunt: - precizia masurarii; - posibilitatea de masurare a unor temperaturi destul de ridicate; - posibilitatea inregistrarii automate a temperaturii; - posibilitatea conectarii la un singur aparat de masura a mai multor termocupluri; - posibilitatea de a fi utilizate pentru reglaj si in comenzi la distanta. Aparate ce folosesc variaţia rezistenţei electrice cu temperatura Aparatele se numesc termometre cu rezistenţă electrică, măsoară temperaturi între -200 şi + 850°C şi se compun din: - termorezistenţă, care constituie elementul sensibil; - conductoare de legătură; - aparatul de măsură.

Termodinamică - Laborator Măsurarea temperaturilor

Ghiaus A.-G. 6

Termorezistenta trebuie sa fie realizata dintr-un material pentru care rezistenta electrica sa varieze cu temperatura dupa o lege cat mai simpla, astfel incat sa putem calibra aparatul cu usurinta. Pentru un fir de platina, dependenta rezistentei electrice cu temperatura pentru donemiul 0 ... +630°C este de forma

( )R R At Bt= + +021

unde R0 reprezinta rezistenta electrica la temperatura de 0°C, iar A si B sunt doua constante determinate experimental. Materialele metalice utilizate la constructia termorezistentelor sunt: Pt, Cu, Ni, Fe.

Termometrele cu rezistenta electrica care utilizeaza semiconductoarele ca materiale termosensibile se numesc termistoare; acestea se caracterizeaza printr-o lege de variatie exponentiala, precum si prin faptul ca au o inertie termica practic nula. Măsurarea rezistenţei se realizează cu ajutorul metodelor potenţiometrice, a punţilor (echilibrate sau neechilibrate) şi a logometrelor (aparate magneto-electrice). Avantajele termometrelor cu rezistenta electrica: - precizie ridicata; - posibilitatea centralizarii controlului temperaturilor prin conectarea mai multor termometre la un singur aparat de masura; - posibilitatea inregistrarii automate a temperaturii. Aparate care utilizeaza fenomenul de radiaţie pentru măsurarea temperaturii Acest fenomen este aplicat în construcţia pirometrelor ce măsoară temperatura corpurilor după radiaţia lor, atunci când valoarea acestuia trece de 700°C. Principiul metodei constă în măsurarea energiei radiante emisă de sursă folosin fie legea creşterii intensităţii radiaţiei monocromatice cu temperatura, fie legea radiaţiei corpului negru. În această lucrare se vor examina trei tipuri de aparate de măsură: - pirometre optice cu dispariţia filamentului; - pirometre de radiaţie totală; - pirometre fotoelectrice. Pirometrul optic cu disparitia filamentului Principiul de functionare a pirometrului consta in compararea stralucirii sursei cu stralucirea filamentului unei lampi a aparatului, pentru radiatii cu o anumita lungime de unda (λ = 0.65 µm), tinand cont ca stralucirea este direct proportionala cu intensitatea radiatiei monocromatice.

Termodinamică - Laborator Măsurarea temperaturilor

Ghiaus A.-G. 7

Alcatuirea aparatului: 1 - luneta; 2 - lampa cu filament din Wolfram; 3 - diafragme; 4 - filtru ce permite trecerea radiatiilor de o anumita lungime de unda; 5 - lentila; 6 - filtru absorbant; 7 - rezistenta variabila; 8 - sursa de curent; 9 - aparat de masura. Principalul dezavantaj al aparatului consta in faptul ca masurarile sunt subiective (depind de caracteristicile vizuale ale persoanei care efectueaza

masurarile). Pirometrul de radiatie totala Principiul de functionare se bazeaza pe actiunea termica a radiatiilor emise de corpul sursa (caruia ii masuram temperatura).

Alcatuirea aparatului: 1 - luneta; 2 - lentila pentru concentrarea fluxului radiant; 3 - diafragma; 4 - organ termosensibil constituit din mai multe termocupluri legate in serie; 5 - aparat de masura (milivoltmetru sau potentiometru); 6 - filtru pentru protectia ochilor de lumina puternica a sursei. Avantajul acestui aparat, spre deosebire de pirometrul cu disparitia filamentului, consta in eliminarea subiectivitatii masurarii (nu intervine aprecierea subiectiva a observatorului). Aparatul are insa o precizie scazuta, deoarece o parte din

energia radianta este absorbita de catre mediul dintre sursa si aparat Pirometrul fotoelectric Are ca element termosensibil o celula fotoelectrica al carei curent fotoelectric este proportional cu fluxul luminos emis de corpul cald, care este la randul sau o masura a temperaturii corpului.

Termodinamică - Laborator Măsurarea temperaturilor

Ghiaus A.-G. 8

Alcatuirea aparatului: 1 - luneta; 2 - lentila pentru concentrarea fluxului radiant; 3 - diafragma; 4 - organ termosensibil constituit din mai multe termocupluri legate in serie; 5 - aparat de masura (milivoltmetru sau potentiometru); 6 - filtru pentru protectia ochilor de lumina puternica a sursei. Aparatul se foloseste pentru inregistrarea si reglarea temperaturii in procese termice ce decurg cu viteza mare.

Alte mijloace de măsurat temperatura Conuri Seger (indicatori pirometrici) Conurile Seger se folosesc pentru determinarea temperaturilor ridicate în cuptoarele industriale. Acestea sunt piramide triunghiulare de 30 sau 58 mm înălţime, confecţionate din diferite amestecuri de caolin, cuarţ, feldspat şi alţi fondanţi ceramici, alese astfel încât diferitele indicatoare să aibă temperatura de înmuiere între 600 şi 2000 °C cu intervale din 20 în 20 °C. Se notează cu numere care corespund cu 1/10 din temperatura de înmuiere a lor (ex. I.P. 130 înseamnă că temperatura de înmuiere a acestuia este de 1300 °C.) la care vârful conului atinge planul bazei sale. Culori termoscopice (indicatori de temperatură) Principiul metodei are la bază proprietatea unor substanţe de a-şi schimba culoarea în funcţie de temperatură. Fenomenul, numit termochromie, oferă posibilităţi rapide şi ieftine de evaluare a temperaturii. Domeniul de utilizare este cuprins între +40°C şi +1350°C. De exemplu, iodura dublă de cupru şi mercur este roşie pt temperaturi până la 55 °C, devine roşie-brună până la 63 °C, brună până la 70°C şi neagră peste 100°C. Temperatura magnetică Pentru temperaturi foarte scăzute care formează domeniul criogeniei, termometria utilizează legătura dintre susceptibilitatea magnetică x şi temperatura magnetică T* dată de legea:

T* = xC

unde C este constanta Curie. Legătura dintre temperatura magnetică şi temperatura termodinamică este o funcţie cunoscută pentru sărurile paramagnetice utilizate. Fototermometria Metoda fototermometriei utilizează plăci fotografice speciale sensibile la radiatiile infraroşii, care permit obţinerea unei imaginii a distribuţiei de temperatură prin înnegrirea plăcii fotografice funcţie de acesta. Transparenţa zonei de pe placa fotografică developată se măsoară cu microfotometre speciale.